摘要
采用由对甲基苯磺酸、氯化胆碱和乙醇组成的新型三元低共熔溶剂（DES）对杨木屑进行预处理，研究了三元DES预处理对杨木屑木质纤维化学组分、微观形态、结晶结构、化学结构及纤维素酶水解效果的影响。结果表明，和杨木屑原料相比，二元DES预处理物料的木质素脱除率不升反降，而添加乙醇的三元DES预处理物料的木质素脱除率提高至69.2%；三元DES体系可有效抑制物料表面酸不溶物质的形成，减少纤维素酶的无效吸附，可将纤维素酶水解效率提高至76.6%；在三元DES预处理过程中，半纤维素、木质素以及纤维素无定形区结构的破坏导致纤维素结晶度由原料的48.7%提高至65.7%，纤维素结晶指数由0.66提高至0.76。
石化资源的过度消耗造成了日益严重的能源短缺与环境恶化等问题。木质纤维原料是自然界中丰富的可再生资源，然而其细胞壁组分物理化学性质的不均一性和结构的复杂性阻碍了纤维素的糖
Kumar
对甲基苯磺酸（p-TsOH）是一种可循环使用的有机酸助溶剂，在温和条件下可以快速断裂杨木木质素的β-O-4醚键，高效脱除90%以上的木质
为抑制DES预处理过程中酸不溶物质的形成，促进纤维素酶水解效率，本研究设计并制备了添加乙醇的三元DES体系，并用于杨木屑预处理，研究三元DES预处理对杨木屑木质纤维化学组分、微观形态、结晶结构和化学结构的影响，探讨三元DES预处理抑制酸不溶物质产生、提高纤维素酶水解效率的机理，为实现木质纤维原料全质化利用提供参考。
杨木屑，2019年采集于江苏宿迁，粉碎后收集20~80目过筛物料，晾干备用。
ChCl、p-TsOH及无水乙醇均为分析纯，购自上海麦克林生化科技有限公司；纤维素酶（Ctec2），酶活243.48 FPU/g，购自西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司。
DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，上海予申仪器有限公司；循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；SHA-B双功能水浴恒温振荡器，常州峥嵘仪器有限公司；DGG-9070A电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；TGL20MW-2台式高速冷冻离心机，湖南赫西仪器装备有限公司；G154DWS高压灭菌器，致微（厦门）仪器有限公司；ZQLY-180N振荡培养箱，上海知楚仪器有限公司；Agilent 1260高效液相色谱仪（HPLC），德国安捷伦科技公司；Regulus 8100冷场扫描电子显微镜（SEM），日本日立公司；Ultima IV X射线衍射仪（XRD），日本理学公司；Nicolet Antaris FTIR-ATR傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），美国赛默飞公司。
根据前期研究，将ChCl与p-TsOH按摩尔比1∶2在80 ℃的油浴条件下加热，直至形成均一透明的二元DES。将二元DES与无水乙醇按质量比10∶3混合搅拌均匀，形成三元DES体系。将绝干的杨木屑粉按照质量比1∶10加入到DES体系中，在100 ℃下加热并搅拌30 min，转速为400 r/min。反应结束后加入等质量的纯水，趁热利用双层滤纸过滤，获得预处理液和预处理物料，并将二元和三元DES预处理物料分别命名为T100t30和T100t30E30。采用纯水将DES预处理物料洗至中性，并于4 ℃冷藏保存，平衡水分。
参照NREL/TP-510-42618方
称取绝干质量为2.5 g的DES预处理物料，并加入到含15 FPU/g纤维素的纤维素酶、0.1 g/L的四环素溶液体系中（50 mL），利用柠檬酸钠缓冲液调节体系pH值为4.8，置于50 ℃摇床中在150 r/min转速下震荡72 h，每24 h取0.5 mL酶水解液样品，煮沸10 min灭活，利用HPLC分析测定纤维素酶水解液中葡萄糖含量。
将杨木屑和T100t30、T100t30E30样品均匀滴在样品台上，样品干燥后喷金处理，采用SEM观察纤维微观形态。设置加速电压2 kV，杨木屑、T100t30和T100t30E30的工作距离分别为14.3、8.3和为8.2 mm。
采用XRD测定样品的纤维素结晶度：Cu-Kα为发射源，辐射管电压和电流分别为40 kV和40 mA，扫描范围2θ=10°~38°，扫描步长为0.02°/s。纤维素结晶度（CrI，Crystalline index）根据Segal提出的经验公式计算得到：
| （1） |
式中，I002表示结晶区域2θ≈22.5°的衍射峰强度，Iam表示非结晶区域2θ≈18.0°的衍射峰强度。
采用FT-IR分析样品的结构：将干燥的样品研磨成粉末，与KBr粉末混合，然后压片，扫描光谱范围为400~4000 c
| LOI=A1427/A898 | （2） |
式中，A是对应波段的吸光度值。
DES预处理对杨木屑化学组分的影响如
图1 DES预处理对杨木屑化学组分的影响
Fig. 1 Effect of DES pretreatment on chemical components of poplar sawdust
| DES预处理液 | 葡萄糖 | 木糖 | 阿拉伯糖 | 甲酸 | 乙酸 | 乙酰丙酸 | 羟甲基糠醛 | 糖醛 | 乳酸 | 甘油 | 乙醇 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| T100t30E30 | 0 | 0.99 | 0.80 | 0.78 | 2.03 | 0.07 | 0.10 | 0.32 | 3.18 | 0.37 | 195.28 |
| T100t30 | 0 | 0.16 | 0 | 0.89 | 4.91 | 0.33 | 0.23 | 0.23 | 0.22 | 0 | 0.77 |
为探究三元DES预处理对纤维素酶水解的促进作用，利用纤维素酶对杨木屑、T100t30及T100t30E30进行酶解，采用葡萄糖得率评价酶水解效果，结果如
图2 杨木屑及DES预处理物料酶水解葡萄糖得率
Fig. 2 Glucose yields of poplar sawdust and DES pretreated residues during enzymatic hydrolysis
不同DES预处理物料的微观形貌如
图3 杨木屑及DES预处理物料的微观形貌
Fig. 3 Micromorphology images of poplar sawdust and DES pretreated residues
预处理会影响木质纤维原料中纤维素的结晶结
图4 杨木屑及DES预处理物料的XRD谱图
Fig. 4 XRD patterns of poplar sawdust and DES pretreated residues
采用FT-IR进一步分析了DES预处理前后杨木屑的化学结构变
图5 杨木屑及DES预处理物料的FT-IR谱图
Fig. 5 FT-IR spectra of poplar sawdust and DES pretreated residues
DES预处理前后杨木屑的吸收率光谱图如
本研究采用由对甲基苯磺酸、氯化胆碱和乙醇组成的三元低共熔溶剂（DES）对杨木屑进行预处理，并对预处理物料的化学组分、微观形态、结晶结构和化学结构的变化进行表征，得到以下结论。
3.1 三元DES预处理有效抑制了酸不溶物质的产生，将木质素的脱除率提高至69.2%，预处理物料回收率由63.6%降至46.8%。
3.2 相比杨木屑和T100t30（未添加乙醇的DES预处理物料），T100t30E30（添加乙醇的DES预处理物料）的纤维素酶水解效率提高显著，葡萄糖得率为76.6%。
3.3 三元DES预处理未破坏预处理物料的纤维素结晶结构，其结晶度和结晶度指数相比杨木屑分别提高了35.0%和15.2%。
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